加工中心是用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。其最大的特点是备有刀库，具有自动换刀功能。工件装夹后，加工中心数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀，自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。因此，加工中心数控加工大大减少了工件装夹时间、测量和调整机床等辅助时间，对加工形状比较复杂、精度要求较高、品种更换频繁的零件具有良好的经济效益。

12.1.1　加工中心的刀库与换刀装置

从机械构成来看，加工中心可以看成是增加了刀库和自动换刀装置（Automatic ToolsChanger, ATC）的数控铣床。自动换刀装置的用途是按照加工需要，自动更换装在主轴上的刀具。自动换刀装置是一套独立、完整的部件。

1.自动换刀装置的形式 自动换刀装置的形式取决于机床的类型、加工工艺、应用范围和刀具的种类及数量等。自动换刀装置主要有回转刀架和带刀库的自动换刀装置两种形式。回转刀架换刀装置的刀具数量有限，但结构简单、维护方便，如车削加工中心上的回转刀架。

带刀库的自动换刀装置是镗铣加工中心上应用最广的换刀装置，主要有机械手换刀和刀库换刀两种方式。它的整个换刀过程较复杂：把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调后，按一定的方式放入刀库；在刀库中进行选刀，并由机械手从刀库和主轴上取出刀具，或直接通过主轴与刀库的配合运动来取刀；进行刀具交换，将需要使用的刀具装入主轴，把不需要使用的刀具放回刀库。刀库具有较大的容量，既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可以作为独立部件安装在机床以外。

2.刀库的形式 加工中心常用的刀库有鼓轮式和链式两种。鼓轮式刀库结构简单、紧凑，应用较多，一般存放刀具不超过32把，见图12-1。链式刀库多为轴向取刀，适用于要求刀库容量较大的数控机床，见图12-2。

3.换刀过程 由选刀和换刀两部分组成。当执行选刀指令后，刀库自动将要用的刀具移动到换刀位置，完成选刀过程，为接下来的换刀做好准备。当执行换刀指令时，即开始自动换刀，把主轴上用过的刀具取下，将选好的刀具安装在主轴上。

（1）选刀：常用的选刀方式有顺序选刀方式和任选方式两种。

1）顺序选刀：将加工所需要的刀具按照事先确定的加工顺序依次安装在刀座中，换刀时刀库按顺序转位。这种方式的控制及刀库运动简单，但刀库中刀具排列的顺序不能出现错误。

2）任选方式：对刀具或刀座进行编码，并根据编码选刀。它可分为刀具编码和刀座编码两种方式。刀具编码方式是利用安装在刀柄上的编码元件（如编码环、编码螺钉等）预先对刀具编码并放在刀座中，换刀时通过编码识别装置根据刀具编码选刀。采用这种方式编码的刀具可以放在刀库的任意刀座中。刀库中的刀具不仅可在不同的工序中多次重复使用，而且换下来的刀具也不必放回原来的刀座中。刀座编码方式是预先对刀库中的刀座（用编码钥匙等方法）进行编码，并将与刀座编码相对应的刀具放入指定的刀座中，换刀时根据刀座编码选刀，使用过的刀具也必须放回原来的刀座中。

目前，应用最多的是计算机记忆式选刀。这种方式的特点是刀具号和存刀位置或刀座号对应地记忆在计算机的存储器或可编程控制器内。在刀库上装有位置检测装置，这样刀具可以任意取出和送回。刀具本身不必设置编码元件，结构大为简化，控制也十分简单，计算机控制的机床几乎全都用这种选刀方式。在刀库上设有机械原点，每次选刀正反向运动都不会超过180°。当选刀动作完成后，即处于等待状态，一旦执行自动换刀指令，即开始换刀动作。

（2）换刀：有机械手换刀和主轴移动式换刀两种方式。下面以常用的机械手换刀立式加工中心（如XHK716）为例详细介绍加工中心的换刀过程。

1）主轴箱回到最高处（Z轴坐标原点）同时实现“主轴准停”，即主轴停止回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上，保证主轴端面的键也在一个固定的方位，以便刀柄上的键槽能恰好对正端面键。

2）机械手抓住主轴和刀库上的刀具，如图12-3a所示。

3）活塞杆推动机械手下行，从主轴和刀库上取出刀具，如图12-3b所示。

4）机械手回转180°，交换刀具位置，如图12-3c所示。

5）将更换后的刀具装入主轴和刀库，如图12-3d所示。

6）机械手放开主轴和刀库上的刀具后复位，限位开关发出“换刀完毕”的信号，加工中心可以开始加工或执行其他程序指令。

主轴移动式换刀机构中不需要机械手，结构比较简单。刀库旋转换刀时机床不工作，因而影响到机床的生产效率。目前在XH713、XH714、XH715等中小型立式加工中心上广泛采用刀库移动—主轴升降式换刀方式。

12.1.2　加工中心的主要加工对象

根据加工中心的优点和工艺特点，它适合加工形状复杂、加工工序多、精度要求较高、需要经多次装夹调整才能完成加工的零件。加工中心的主要加工对象有以下四大类。

1.箱体类零件 一般指具有两个或更多孔系，内部有一定型腔，在长、宽、高方向上具有一定比例要求的零件。它在汽车、飞机、船舶等运输工具中使用较广泛。图12-4所示的控制阀壳体就属于箱体类零件。这类零件形状复杂，加工精度要求高，加工工序和刀具较多，最适合在加工中心上加工。

当加工工位较多，需要工作台多次旋转时，一般选择卧式加工中心；当加工工位较少且跨距不大时，可选择立式加工中心。(www.daowen.com)

在加工中心上加工箱体类零件应注意以下几点：

（1）当既有面又有孔时应先铣面后加工孔。

（2）当所有孔都完成粗加工后进行精加工。

（3）在通常情况下，直径超过30mm的孔应预制出毛坯孔。在普通机床上先完成毛坯粗加工，预留4～6mm余量，再由加工中心进行半精加工。不超过ϕ30mm的孔可以直接由加工中心来加工完成。

（4）在孔系加工中先加工大孔后加工小孔。

（5）对于箱体上跨距较大的同轴孔，尽量采取调头加工，以缩短刀具、辅具的长径比，增加刀具刚性，确保加工质量。

（6）在一般情况下，M6mm以上、M20mm以下的螺孔在加工中心上直接完成。M16mm以下或M20mm以上的螺孔宜采用其他机床加工完成，但底孔可由加工中心完成。

2.复杂曲面零件 这类零件形状复杂、精度要求较高，采用普通机床难以加工甚至无法加工，如叶轮、导风轮和螺旋桨等各种曲面成形模具。在加工中心上用三、四坐标轴联动甚至五坐标轴联动就能够加工这类零件且质量稳定、精度高、互换性好。

加工中心在加工复杂曲面时编程工作量大，只能采用自动编程。由于加工中心不具备空间刀具半径补偿功能，因此在加工过程中可能会出现平面和空间加工的过切现象。

3.异形件 指外形特异的零件，大都需要利用点、线、面多工位混合加工，如水泵体、支撑体及各种大型靠模等。异形件的刚性较差，装夹及切削变形难以控制，加工精度也难以保证。这时可充分发挥加工中心工序集中的特点，采用合理的工艺措施，一次或两次装夹完成多道工序或全部的加工内容。

4.盘、套、板类零件 指带有键槽或径向孔、端面有分布孔系或曲面的盘、套和轴类零件以及有较多孔的板类零件。这类零件适合采用立式加工中心，有径向孔的零件更适合选用卧式加工中心。

总之，加工中心适宜于切削条件多变、形状结构复杂、精度要求高及加工一致性要求好等类型零件的加工。同时，加工中心还可实现一些特殊工艺的加工，如在金属表面刻字、刻分度线和刻图案等。主轴上装有高频专用电源的加工中心还可以对加工工件进行表面淬火。

12.1.3　加工中心的分类

1.按功能特征分类

（1）镗铣加工中心：有一般立式、卧式镗铣加工中心和龙门式加工中心等种类。它以镗铣为主，适用于加工箱体、壳体以及各种复杂零件的特殊曲线和曲面轮廓的多工序加工，适用于多品种小批量的生产方式。

（2）钻削加工中心：以钻削为主，刀库形式以转塔头形式为主。它适用于中小型零件的钻孔、扩孔、铰孔、攻丝及连续轮廓铣削等多工序加工。

（3）复合加工中心：主要指五轴复合加工中心，可自动回转主轴头，进行立、卧式加工。在主轴自动回转后，复合加工中心在水平面和垂直面实现刀具自动交换。

2.按所用自动换刀装置分类

（1）“刀库+主轴”换刀式加工中心：利用工作台运动及刀库转动，并结合主轴箱上下运动进行选刀和换刀。图12-5所示的卧式加工中心便属于此种类型。

（2）“刀库+机械手+主轴”换刀式加工中心：由于机械手卡爪可同时抓住刀库上所选的刀和主轴上的刀，换刀时间短，并且选刀时间与切削加工时间重合，因此这种加工中心得到广泛应用。图12-6所示的立式加工中心多用此类机械手式换刀装置。

（3）“刀库+机械手+双主轴转塔头”式加工中心：这种加工中心在主轴上的刀具进行切削时，通过机械手将下一步所用的刀具换在转塔头的非切削主轴上。当主轴上的刀具切削完毕后，转塔头立即回转，完成换刀动作，换刀时间短。

（4）转塔头加工中心：有立式和卧式两种，主轴数一般为6～12个，换刀时间短、数量少，主轴转塔头定位精度要求较高。

此外，加工中心可按所用工作台结构特征分为单工作台式、双工作台式和多工作台式，还可按主轴种类分为单轴式、双轴式、三轴式和可换主轴箱式等。